金属表面电场噪声的检测装置及方法与流程

本发明涉及金属表面电场噪声检测技术领域，具体涉及金属表面电场噪声的检测装置，还涉及金属表面电场噪声的检测方法，适用于金属表面电场噪声的检测。

背景技术：

金属表面的电场噪声以及能量耗散是目前许多科学技术领域共同面临的问题,比如纳米电子学和超导电子学中的低频噪声等，但是目前没有检测装置能够检测噪声谱密度低于10^-10v²/m²hz的电场噪声。

囚禁在离子阱中的离子对金属表面产生的电场噪声非常敏感，这种噪声造成了离子的运动加热。囚禁在真空环境中的离子不会受到外界环境的干扰，故可以通过激光精确地操纵其振动量子态和电子自旋，精确测量离子加热率，从而实现金属表面电场噪声的测量。

技术实现要素：

针对目前现有技术中存在的上述问题，本发明提供金属表面电场噪声的检测装置，还提供金属表面电场噪声的检测方法。检测的电场噪声谱密度灵敏度可达10^-10v²/m²hz，解决了目前通用的测量仪器(俄歇低能电子衍射谱仪等)的灵敏度不足、精度不高、无法测量金属表面电场噪声等问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

金属表面电场噪声的检测装置，包括真空腔，还包括设置在真空腔内的芯片支撑架，芯片支撑架上设置有钙原子炉和滤波电路板，滤波电路板的芯片放置孔内设置有离子阱芯片，离子阱芯片上方设置有样品放置架，真空腔上设置有光电倍增管和光学成像镜，真空腔上还设置有通光窗口。

如上所述的芯片支撑架上还设置有用于带动样品放置架三维移动的三维纳米移动台。

如上所述的离子阱芯片包括直流电极和射频电极，滤波电路板设置有滤波电路和射频导线，直流电极通过对应的滤波电路与设置在真空腔上的直流馈通对应的引脚连接，射频电极通过对应射频导线与射频馈通对应的引脚连接。

如上所述的真空腔的周向依次均匀设置有第一cf35接口、第二cf35接口、第三cf35接口、第四cf35接口、第五cf35接口、第六cf35接口、第七cf35接口和第八cf35接口，真空腔的底部和顶部分别设置有第一cf100接口和第二cf100接口，

第一cf35接口上设置光学成像镜和光电倍增管，第二cf35接口上设置射频馈通，第一cf100接口上设置直流馈通，第二cf100接口、第三cf35接口、第四cf35接口、第五cf35接口、第七cf35接口和第八cf35接口上设置通光窗口，第六cf35接口通过三通真空连接器分别与离子泵和真空角阀连接。

金属表面电场噪声的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、对钙原子炉通电加热，使钙原子扩散到离子阱芯片表面；

步骤2、从第三cf35接口的通光窗口入射水平方向的423nm光电离激光和375nm光电离激光到离子阱芯片表面上方，423nm光电离激光和375nm光电离激光与钙原子相互作用下产生一价钙离子，

步骤3、离子阱芯片上的直流电极和射频电极通电产生囚禁场，步骤2中产生的一价钙离子被囚禁在囚禁场中，关闭通过第三cf35接口的通光窗口入射的水平方向的423nm光电离激光和375光电离激光，

步骤4、打开通过第三cf35接口的通光窗口入射的水平方向的397nm冷却激光，打开通过第七cf35接口的通光窗口入射的与水平方向夹角3.8°的866nm冷却激光和854m冷却激光，使囚禁场中的一价钙离子多普勒冷却至500μk；再关闭通过第三cf35接口的通光窗口入射的水平方向的397nm冷却激光，打开通过第三cf35接口的通光窗口入射的水平方向的729nm冷却激光，同时缓慢减弱通过第七cf35接口的通光窗口入射的与水平方向夹角3.8°的854nm冷却激光的功率，使囚禁场中的一价钙离子边带冷却至50μk，一价钙离子的外部振动模式处于运动基态，

步骤5、关闭通过第三cf35接口的通光窗口入射的水平方向的729nm冷却激光，关闭通过第七cf35接口的通光窗口入射的的与水平方向夹角3.8°的854nm冷却激光，等待一段时间，打开通过第三cf35接口的通光窗口入射的水平方向的397nm冷却激光，打开并扫描通过第三cf35接口的通光窗口水平方向的729nm冷却激光的频率，通过光学成像镜和光电倍增管探测一价钙离子边带跃迁过程中的边带信号，

步骤6、重复步骤4～5多次后，得到多组一价钙离子边带跃迁过程中的边带信号，进而获得一价钙离子边带跃迁过程中蓝边带和红边带的跃迁概率比，即可得到离子的声子数，再测得离子的声子数随时间的变化从而获得一价钙离子的加热率，进而确定一价钙离子探测到的噪声谱密度，

步骤7、控制三维纳米移动台上的待测样品以步进方式移动小段间距，使待测样品与囚禁离子之间的相对位置发生改变，重复步骤4～6，记录待测样品与囚禁离子之间的相对位置以及对应的噪声谱密度，直至囚禁离子遍历覆盖待测样品的待测区域，

步骤8、根据各个待测样品与囚禁离子之间的相对位置以及对应的噪声谱密度，拟合出待测样品的金属表面电场噪声分布。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

利用离子的反常加热效应来进行金属表面电场噪声的检测，相比通用的表面测量仪器(俄歇低能电子衍射谱仪等)，本装置检测的噪声谱密度精度高至10^-10v²/m²hz，适用于需要超高光滑度的材料表面金属电场噪声的检测。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为离子阱芯片及三维纳米移动台的整体结构示意图；

图3a为真空腔、光学成像镜11和光电倍增管10的俯视结构示意图；

图3b为真空腔、光学成像镜11和光电倍增管10的前视结构示意图；

图4a为滤波电路板的结构示意图；

图4b为离子阱芯片的平面示意图；

图5为离子阱芯片与待测样品的相对位置示意图；

图中：1-第一cf35接口；2-第二cf35接口；3-第三cf35接口；4-第四cf35接口；5-第五cf35接口；6-第六cf35接口；7-第七cf35接口；8-第八cf35接口；9-射频馈通；10-光电倍增管；11-光学成像镜；12-真空腔；13-真空角阀；14-离子泵；15-钙原子炉；16-三维纳米移动台；17-芯片支撑架；18-直流馈通；19-滤波电路板；20-离子阱芯片；21-样品放置架；22-直角板；23-步进电极；24-待测样品；25-囚禁的⁴⁰ca⁺离子。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

金属表面电场噪声的检测装置，包括真空腔12，还包括设置在真空腔12内的芯片支撑架17，芯片支撑架17上设置有钙原子炉15和滤波电路板19，滤波电路板19的芯片放置孔内设置有离子阱芯片20，离子阱芯片20上方设置有样品放置架21，真空腔12上设置有光电倍增管10和光学成像镜11，真空腔12上还设置有通光窗口。

如图2和图5所示。离子阱芯片20上方固定有待测样品24，待测样品24固定在样品放置架21上，样品放置架21通过直角板22与三维纳米移动台16固定，样品放置架21由三维纳米移动台16驱动进行三维方向的移动。三维纳米移动台16设置在芯片支撑架17上。

离子阱芯片20包括单层二氧化硅表面以及二氧化硅表面的金电极，还包括15个直流电极和2个射频电极。离子阱芯片20可采用现有的离子阱芯片，离子阱芯片20固定在滤波电路板19上的芯片放置孔内。滤波电路板19上设置有一阶无源rc滤波电路和射频导线。直流电极均分别通过对应的一阶无源rc滤波电路与直流馈通18对应的引脚连接，射频电极均分别通过对应的射频导线与射频馈通9对应的引脚连接。样品放置架21为11.5mm×9mm。三维纳米移动台16通过三个一维纳米移动台组装而成，三维纳米移动台16固定在芯片支撑架17上。每个一维纳米台上通过两个步进电极23进行直线的两个方向的驱动，用于精确控制纳米台的步进(40nm)，行程为5mm；总共6个步进电极23的驱动线均分别与直流馈通18对应的引脚连接。滤波电路板19和钙原子炉15固定在芯片支撑架17上，芯片支撑架17固定在不锈钢真空法兰盘上。

如图3a所示。真空腔12通过离子泵14将真空腔12内的真空度维持在1.0×10^-8pa左右。真空腔12呈10面体结构，真空腔12上沿侧面圆周依次均匀分布有8个cf35接口，分别为第一cf35接口1、第二cf35接口2、第三cf35接口3、第四cf35接口4、第五cf35接口5、第六cf35接口6、第七cf35接口7和第八cf35接口8；真空腔12的下顶面和上顶面分别设置有第一cf100接口和第二cf100接口。

第一cf35接口1安装光学成像镜11和光电倍增管10，用于探测囚禁离子的跃迁荧光；第二cf35接口2安装射频馈通9，用于连接离子阱芯片20上的射频电极；第三cf35接口3、第四cf35接口4、第五cf35接口5、第七cf35接口7和第八cf35接口8安装通光窗口。

其中，第三cf35接口3的通光窗口用于入射水平方向的397nm冷却激光和729nm冷却激光，还用于入射水平方向的423nm光电离激光和375nm光电离激光到离子阱芯片20表面上方；第七cf35接口7的通光窗口用于入射与水平方向夹角3.8ο的854nm冷却激光和866nm冷却激光；第六cf35接口6通过三通真空连接器分别与离子泵14、真空角阀13连接。第一cf100接口安装25芯的直流馈通18，用于连接步进电极23和滤波电路板19上的一阶无源rc滤波电路，第二cf100接口2安装通光窗口。

如图3a和图3b所示，对钙原子炉15通电加热，使钙原子扩散到离子阱芯片20表面。

从第三cf35接口3的通光窗口入射水平方向的423nm光电离激光和375nm光电离激光到离子阱芯片20表面上方，423nm光电离激光和375nm光电离激光与钙原子相互作用下产生一价钙离子。

离子阱芯片20上的直流电极和射频电极通电产生囚禁场，步骤2中产生的一价钙离子被囚禁在囚禁场中，关闭通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的423nm光电离激光和375nm光电离激光。打开通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的397nm冷却激光，打开通过第七cf35接口7的通光窗口入射的与水平方向夹角3.8°的866nm冷却激光和854m冷却激光，使囚禁场中的一价钙离子多普勒冷却至500μk；再关闭通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的397nm冷却激光，打开通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的729nm冷却激光，同时缓慢减弱通过第七cf35接口7的通光窗口入射的与水平方向夹角3.8°的854nm冷却激光的功率，使囚禁场中的一价钙离子边带冷却至50μk，一价钙离子的外部振动模式处于运动基态。

关闭通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的729nm冷却激光，关闭通过第七cf35接口7的通光窗口入射的的与水平方向夹角3.8°的854nm冷却激光，等待一段时间，打开通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的397nm冷却激光，打开并扫描通过第三cf35接口3的通光窗口水平方向的729nm冷却激光的频率，通过光学成像镜11和光电倍增管10探测一价钙离子边带跃迁过程中的边带信号。

如图5所示，被囚禁的⁴⁰ca⁺离子和固定在样品放置架21下端面的待测样品24。

实施例2

利用实施例1所记载的金属表面电场噪声的检测装置进行金属表面电场噪声的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、对钙原子炉15通电加热，使钙原子扩散到离子阱芯片20表面。

步骤2、从第三cf35接口3的通光窗口入射水平方向的423nm光电离激光和375nm光电离激光到离子阱芯片20表面上方500μm处，423nm光电离激光和375nm光电离激光与钙原子相互作用下产生一价钙离子(⁴⁰ca⁺)。

步骤3、离子阱芯片20上的直流电极和射频电极通电产生囚禁场，步骤2中产生的一价钙离子被囚禁在囚禁场中。关闭通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的423nm光电离激光和375光电离激光。

步骤4、打开通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的397nm冷却激光，打开通过第七cf35接口7的通光窗口入射的与水平方向夹角3.8ο的866nm冷却激光和854m冷却激光，使囚禁场中的一价钙离子多普勒冷却至500μk；

再关闭通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的397nm冷却激光，打开通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的729nm冷却激光，同时缓慢减弱通过第七cf35接口7的通光窗口入射的与水平方向夹角3.8ο的854nm冷却激光的功率，使囚禁场中的一价钙离子边带冷却至50μk，此时一价钙离子的外部振动模式处于运动基态。

步骤5、关闭通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的729nm冷却激光，关闭通过第七cf35接口7的通光窗口入射的的与水平方向夹角3.8°的854nm冷却激光，等待一段时间，打开通过第三cf35接口3的通光窗口入射的水平方向的397nm冷却激光，打开并扫描通过第三cf35接口3的通光窗口水平方向的729nm冷却激光的频率，通过第一cf35接口1连接的光学成像镜11和光电倍增管10探测一价钙离子边带跃迁过程中的边带信号。

步骤6、重复步骤4～5多次后，得到多组一价钙离子边带跃迁过程中的边带信号，进而获得一价钙离子边带跃迁过程中蓝(pbsb)边带和红(prsb)边带的跃迁概率比，即可得到离子的声子数n(prsb/(pbsb-prsb))，再测得离子的声子数随时间的变化从而可知一价钙离子的加热率，进而确定此位置一价钙离子探测到的噪声谱密度。

步骤7、控制三维纳米移动台上的待测样品以步进方式移动小段间距，使待测样品与囚禁离子之间的相对位置发生改变，重复步骤4～6，记录待测样品与囚禁离子之间的相对位置以及对应的噪声谱密度，直至囚禁离子遍历覆盖待测样品的待测区域。

步骤8、根据各个待测样品与囚禁离子之间的相对位置以及对应的噪声谱密度，拟合出待测样品的金属表面电场噪声分布。

上述步骤中利用囚禁离子探测的待测样品的金属表面电场噪声，其噪声谱密度可以精确到10^-10v²/m²hz。适用于要求金属表面光滑度极高的设备或场景。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。